マイクロプロセッサーとは

CPUと同様、マイクロプロセッサーは、一般的にコンピューターの「頭脳」と考えられており、従来のCPUとは異なり、一般的なCPUの演算回路、論理回路、制御回路を、1つの多目的、クロック駆動、レジスタベースのデジタル回路に集積したものです。

CPUとマイクロプロセッサーという用語は、多くの場合、同じ意味で使用されますが、マイクロプロセッサーは基本的に、1つのチップ上にCPUの機能を集約したものです。このシングルチップ設計により、脆弱な電気接続の数が減ることで、障害点が発生する可能性が減り、信頼性が向上します。そのため、マイクロプロセッサーは、複数の独立したコンポーネントが組み込まれた従来のCPUにほぼ完全に取って代わりました。

マイクロプロセッサーが登場する前、コンピューターはラックに収納された数多くのICを使用して、コンピューターの主要な演算機能を実現していました。1971年には、世界初の商用マイクロプロセッサーであるIntel 4004が登場し、コンピューティング・テクノロジーに大きな変革が起こりました。Federico Faggin氏が設計したこの画期的なデバイスは、電卓用に12個のカスタム・マイクロチップを製作して欲しいという、日本の電子機器メーカー、Busicom社からの依頼に単に対応したわけではありませんでした。Intel社が12個のチップを1つずつ製造する代わりに、汎用ロジック・デバイスを開発したことは、演算に対するIBMの考え方を根本から変える画期的な出来事となりました。

Intel 4004のアーキテクチャーは、今日の基準からするとパワー不足で、740 kHzのクロック速度で動作し、最大4ビット（「ニブル」とも呼ばれます）のデータ・ストリームしか処理できませんでした。4004は最新の8ビット～64ビットのマイクロプロセッサーほど強力ではありませんが、回路においては画期的な大発明であると広く考えられています。ムーアの法則で予測されていたように、半導体テクノロジーの急速な発展により、処理能力は大幅に向上しました。Intel社やPentium社といった大手サプライヤーによって製造されているマイクロプロセッサーは、IBM、Microsoft社、Apple社など、すべての大手テクノロジー企業で使用されており、TVリモコンや宇宙国際ステーションなど、何千ものシステムやアプリケーションに搭載されています。

最新のマイクロプロセッサーは、何百万もの小さなトランジスター、抵抗、ダイオードを、1つの半導体材料の上に集積することで、CPUの主要コンポーネントを構築します。これらのコンポーネントは、さまざまなタイプの独自のコンピューター・アーキテクチャーを構築できるよう配置され、演算を行ったり、命令を実行したりします。平均的なマイクロプロセッサーの機能は、4つの主要なステップに分類できます。

1. フェッチ：マイクロプロセッサーは、コンピュータのメモリーから命令を取り出します（すなわち「フェッチします」）。フェッチ・プロセスは、自動入力または手動入力で開始できます。
2. デコード：マイクロプロセッサーは、命令を「デコード」します。基本的に、入力または命令を要求として解釈し、特定のプロセスや演算を開始します。
3. 実行：簡単に言えば、マイクロプロセッサーは、必要な動作または要求された動作を実行します。
4. 保管：実行結果がコンピューターのメモリーに格納されます。

マイクロプロセッサーは、CPUの主要なコンポーネントを1つの回路に集約することで、これらの処理を完了できます。マイクロプロセッサーの主要なコンポーネントは、次のとおりです。

• 算術論理演算装置（ALU）：CPUの主要な論理演算装置で、数学的計算やデータ比較などの論理演算を行います。
  
  
• 制御装置（CU）：CU回路が命令を解釈して実行を開始し、プロセッサーの基本動作を指示します。
  
  
• レジスター：レジスターは、CPUが計算プロセス中にデータや命令を一時的に保持するために使用する、小容量で高速なメモリー・ストレージです。
  
  
• キャッシュ・メモリー：マイクロプロセッサーとCPUは、CPUの近くに配置された高速メモリーであるキャッシュ・メモリーを使用して、アクセスする頻繁の高いデータを保管し、性能を向上させます。
  
  
• バスとバス・インターフェース：バス・インターフェースは、アドレス・バスやデータ・バスなど、さまざまな配線グループ（バスと呼ばれます）を横断するデータの出入口を提供します。バスとインターフェースは、さまざまな内部コンポーネントを物理的に接続し、CPUや、入出力（I/O）装置といったその他の周辺装置内の通信を可能、円滑にします。
  
  
• トランジスター：ICの主要な構成要素の1つであるトランジスターは、電流と電気信号を制御、増幅、生成する小型半導体です。また、単純なスイッチとして機能したり、組み合わせて論理ゲートを形成したりすることもできます。トランジスターの数は、マイクロプロセッサーのパワーを表す一般的な指標です。
  
  
• プロセッサー・コア：マイクロプロセッサー内の個々の処理装置のことをコアと呼びます。最新のプロセッサーは、多くの場合、複数のコア（デュアルコア、クアッドコア）を組み込んでおり、複数のタスクを同時に実行することにより、並列処理が可能になっています。
  
  
• クロック：すべてのマイクロプロセッサーが内部クロックを備えているわけではありませんが、すべてクロック駆動です。一部は、精度を向上させることで知られる外部クロック・チップを利用しています。内部、外部にかかわらず、マイクロプロセッサーのクロック・サイクルによって、コマンドを実行する周波数が決まります。最新のクロック速度はメガヘルツ（MHz）とギガヘルツ（GHz）で測定されます。

マイクロプロセッサーのアーキテクチャーとは、プロセッサーのさまざまなCPUコンポーネントのさまざまな設計および構成方法を指します。以下は、マイクロプロセッサーの主要なアーキテクチャー要素です。

• 命令セット・アーキテクチャー（ISA）：マイクロプロセッサーのISAは、プロセッサーが実行できる命令セットを定義したものです。縮小命令セット・コンピューター（RISC）アーキテクチャーや複合命令セット・コンピューター（CISC）アーキテクチャーなどのISAは、データ処理を行うためのさまざまな方法を提供するだけでなく、各種アプリケーションに適したさまざまなレベルの性能、信頼性、速度も提供します。
  
  
• データ・パス：マイクロプロセッサーのデータ・パスは、データがマイクロプロセッサーのコンポーネント（バス、ALU、レジスター）を通る順序を規定し、全体的なパフォーマンスに影響を与えます。
  
  
• 制御パス：データ・パスと同様、マイクロプロセッサーのアーキテクチャーの制御パス要素は、一連の動作を指示し、CPU内のデータ送信を管理します。
  
  
• メモリー階層：メモリー階層はプロセッサーのアーキテクチャーの重要なコンポーネントであり、さまざまなレベルのメモリー（キャッシュ、レジスター、RAM）に対して1つの構造を提供することで、効率的なデータ・アクセスと検索速度を最適化します。

マイクロプロセッサーは、パワー、性能、アーキテクチャー方法論、サイズ、エネルギー消費量のほか、多くの変数に幅があり、あらゆる種類のアプリケーションに対応できるよう設計されています。汎用マイクロプロセッサーは、一般的にパソコンやモバイル機器に使用されていますが、デジタル・シグナル・プロセッサー（DSP）のような特殊な高性能ユニットは、音声、動画、画像処理のような要求の厳しいタスク向けに設計されています。

以下は、マイクロプロセッサーの主なタイプの一部です。